母体高脂饮食在胚胎植入前或妊娠/哺乳期改变小鼠后代的代谢、分子与运动表型

《Journal of Nutrition and Metabolism》：Maternal High-Fat Diet, During Preimplantation or Gestation/Lactation, Alters Mouse Offspring Metabolic, Molecular and Locomotor Phenotypes

　　

摘要专业翻译 母体在子代发育期间的营养状况影响子代生理机能及长期慢性疾病风险。本研究探讨了母体高脂饮食在不同发育窗口期（仅植入前阶段，EmbHFD；或整个妊娠期和哺乳期，HFD）对成年子代代谢、分子及运动行为结局的影响。我们的小鼠模型采用健康非肥胖的MF1母鼠，诱导出依赖于饮食持续时间的、具有部分性别特异性差异的子代结局。EmbHFD子代表现为高血清瘦素（雌性）、收缩压（SBP）升高、运动活性降低及运动协调能力减弱。同样，HFD子代不仅表现出血清瘦素升高、收缩压升高和运动协调能力差，还出现体重过度增加、能量代谢缺陷、相对棕色脂肪组织（BAT）质量减少（雌性）及肌肉脂质积累增加。对HFD雌性子代进行的转录组分析显示，BAT中产热和脂质处理基因（如Ucp1和ApoE）上调，同时有丝分裂调节因子下调，提示其再生能力受损。综上所述，这些发现首先表明，即使母体未出现肥胖，短暂的高脂饮食也会对子代构成风险；其次，强调了围受孕期营养对子代多系统代谢和生理机能出现的影响具有敏感性，支持了健康与疾病发育起源（DOHaD）学说。

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研究背景与问题

全球范围内，肥胖、心血管疾病和2型糖尿病等非传染性疾病（NCDs）的发病率持续攀升，这与高脂饮食（HFD）的日益普及密切相关，尤其是在育龄女性群体中。母体肥胖已被证实是子代代谢功能障碍的重要诱因，显著增加子代成年后罹患肥胖、胰岛素抵抗及神经发育障碍的风险。大量动物模型研究亦表明，母体肥胖可诱导子代出现心血管代谢及神经发育相关疾病。这些现象共同指向健康与疾病发育起源（DOHaD）学说，该学说认为，胚胎发育期间暴露于多样的环境条件会深刻影响后代的健康结局。在DOHaD框架下，胚胎着床前的围受孕期已被识别为易受不良编程影响的脆弱窗口期，其影响可能经由表观遗传及信号通路介导。

然而，母体肥胖是一种多因素状态，其对发育中子代的影响可能通过内分泌、代谢、饮食、炎症或表观遗传等多种途径传递。为精准定位机制性过程，亟需构建能够区分这些因素的新模型。一个关键的科学问题是：在健康、体重正常的母体中，短暂摄入高脂饮食是否会影响其发育中的子代？新近证据提示，在无母体肥胖的情况下，不良饮食本身即可独特地塑造发育编程，影响能量代谢和神经发生。本研究正是基于此，旨在探究非肥胖母鼠中，短暂母体营养过剩应激（仅植入前阶段）与持续母体营养过剩应激（贯穿妊娠及哺乳期）对子代编程影响的差异，并假设这种影响具有性别特异性。

研究设计与方法概述

研究人员采用健康的、非肥胖的MF1小鼠品系作为母体模型。实验设计上，将孕鼠随机分为三组：对照组（CFD，全程正常脂肪饮食NFD）、植入前高脂饮食组（EmbHFD，仅在妊娠第0.5天至第3.5天饲喂HFD，其后恢复NFD）以及全程高脂饮食组（HFD，整个妊娠期和哺乳期均饲喂HFD）。母鼠在断奶后，其子代均饲喂NFD直至15周龄。研究通过多维度方法评估子代表型，包括：通过代谢笼（CaloBox）进行间接测热法以评估能量消耗（EE）和呼吸交换率（RER）；采用尾套无创血压监测仪测量收缩压（SBP）；运用转棒仪（Rotarod）和倒挂网格实验（IST）评估运动协调能力与肌肉力量；使用旷场实验（OFT）评估自发活动与探索行为。此外，还采集了母鼠及子代血清进行脂肪酸组成分析和瘦素浓度测定，并对子代腓肠肌进行组织学染色以评估脂质积累。对子代棕色脂肪组织（BAT）进行了RNA测序（RNA-seq）和实时荧光定量PCR（qPCR）分析，以探究分子层面的变化。

研究主要结果

3.1 HFD和EmbHFD处理不会导致母体或子代肥胖

研究发现，虽然EmbHFD和HFD母鼠在妊娠和哺乳期间摄入的饲料质量较少，但由于饮食并非等热量，其摄入的总能量在各组间并无显著差异。母鼠的体重及增重在各组间总体相似，且根据肥胖指数（IOD）计算，所有母鼠均未达到肥胖标准。然而，HFD母鼠的子代在15周内多数时间点体重显著高于CFD子代，而EmbHFD子代体重与CFD相似。所有子代亦未达到肥胖标准。这证实了该模型观察到的效应是由饮食本身而非母体肥胖介导的。

3.2 EmbHFD母鼠血清脂肪酸短暂升高，而EmbHFD和HFD母鼠及子代瘦素水平升高

在妊娠第3.5天（G3.5），即EmbHFD组饮食处理结束时，其母鼠血清中多种脂肪酸（如三酰甘油TAG、胆固醇酯CE和磷脂酰胆碱PC组分中的特定脂肪酸）浓度较CFD组显著升高。但这种差异在哺乳期结束时（L21）已不复存在，表明该变化是短暂的。子代在15周龄时，仅雄性EmbHFD和HFD组的PC组分中20:0脂肪酸略高。相比之下，瘦素水平的变化更为持久：EmbHFD母鼠在G3.5时血清瘦素升高，HFD母鼠在L21时升高，而EmbHFD母鼠在L21时已恢复至对照水平。重要的是，EmbHFD雌性及HFD雄性和雌性子代在15周龄时，尽管自身从未摄入HFD，其血清瘦素水平仍显著高于CFD组。

3.3 EmbHFD和HFD子代收缩压升高，而仅HFD改变子代能量代谢

在9周龄和13周龄时，EmbHFD和HFD子代（无论雌雄）的收缩压（SBP）均显著高于CFD组，且随年龄增长趋势更明显。在14周龄进行的代谢笼测试中，HFD雌性和雄性子代在夜间表现出呼吸交换率（RER）降低，HFD雄性在白天也表现出RER降低，而EmbHFD子代无此变化。同时，HFD雌雄子代在夜间的能量消耗（EE）显著增加。这表明，母体HFD暴露时长对子代生理活动的影响不同，SBP对饮食暴露更为敏感。

3.4 HFD雌性子代相对BAT质量减少，而EmbHFD和HFD雌性子代BAT代谢基因表达变化多于雄性

在15周龄时，EmbHFD雌性子代的相对棕色脂肪组织（BAT）质量（BAT/体重%）显著低于CFD组，而HFD组雌性及所有雄性组无显著差异。RNA-seq分析显示，与CFD相比，EmbHFD雌性子代BAT中有96个基因下调、120个上调；HFD雌性子代则有88个基因下调、77个上调，涉及代谢、信号、细胞和表观遗传等多种生物学过程。相比之下，雄性EmbHFD和HFD子代的BAT基因表达变化极少（分别为14个下调/6个上调和1个下调/3个上调），且未能富集到特定的生物学通路。qPCR验证了关键基因的表达变化：EmbHFD和HFD雌性子代的Ucp1（解偶联蛋白1，产热相关）和ApoE（载脂蛋白E，脂质处理相关）表达上调；细胞分裂相关基因如Cenpe和Cdca8在两组雌性中均下调；HFD雌性中Nek2和Cdca8（有丝分裂调节因子）下调，而Npc1l1（脂质代谢相关）上调。雄性子代中，HFD组的Ucp1表达上调，EmbHFD和HFD组的ApoE上调而Ldlr（低密度脂蛋白受体）下调。

3.5 EmbHFD和HFD子代表现出运动协调缺陷，且HFD子代肌肉脂质积累增加

在6周龄的倒挂网格实验（IST）中，各组间肌肉力量无显著差异。在转棒仪测试中，7周龄时HFD雌性子代比CFD更早跌落；12周龄时，EmbHFD和HFD的雌雄子代均比CFD更早跌落。且EmbHFD和HFD子代从7周到12周的运动能力下降幅度大于CFD组。在4周龄的旷场实验（OFT）中，EmbHFD雄性子代在测试的两个时段内均表现出总距离减少、休息时间增加和跳跃次数减少，EmbHFD雌性则表现为垂直时间减少和跳跃次数减少，提示其活动水平降低。HFD子代的活动水平与对照组相似，仅雄性跳跃次数减少。各组在焦虑相关指标（中央区停留时间和进入次数）上无差异。在15周龄的腓肠肌组织学分析中，HFD子代（雌雄）的苏丹黑B阳性细胞比例显著高于CFD，表明其肌肉脂质积累增加，而EmbHFD组无此变化。

讨论与结论总结

本研究证实，母体高脂饮食，无论是仅限于植入前阶段还是贯穿妊娠和哺乳期，均能在母体未肥胖的情况下，通过快速诱导母体代谢变化传递给发育中的子代，造成其成年后多系统（生理、代谢和行为）的长期不良后果，且影响具有性别特异性。EmbHFD主要导致子代血清瘦素升高（尤其雌性）、收缩压升高、活动减少和运动协调能力下降，但对能量代谢和肌肉脂质影响甚微。而HFD除了引起类似的瘦素升高、高血压和运动协调缺陷外，还导致子代体重过度增加、更严重的能量代谢缺陷（RER降低、EE增加）、雌性相对BAT质量减少及肌肉脂质积累。

讨论部分指出，子代持续的瘦素水平升高可能源于表观遗传调控（如瘦素基因启动子甲基化改变），并可能通过激活交感神经系统参与高血压的发生。BAT中Ucp1和ApoE等基因的上调反映了增强脂质氧化和产热的代偿性反应，但细胞周期调节因子（如Cenpe、Cdca8）的下调则暗示BAT再生能力受损，可能限制其长期适应性。运动协调障碍可能与早期瘦素信号紊乱影响神经发育，以及肌肉脂质积累导致的局部胰岛素抵抗和线粒体应激有关。研究强调了性别作为生物学变量的重要性，雌性子代表现出更广泛的转录组和代谢改变。

研究结论指出，母体高脂饮食暴露通过激素和组织特异性变化改变了子代的代谢生理机能，并持续至成年期。这些结果强化了DOHaD学说的核心原则，强调了母体饮食对子代长期健康的重大影响，凸显了通过改善孕前及孕期营养来阻断代谢疾病代际传递的早期预防策略的紧迫性。